物理學家演示“量子時間反演”。
物理學家最近首次通過實驗做到了讓光子同時在時間上前進和后退。這個聽起來匪夷所思的實驗運用了量子力學中的兩個古怪概念——疊加態(tài)和CPT對稱原理。實驗能夠幫助人類提升量子計算技術(shù)，增進對量子引力論的理解，或許還能讓我們一窺黑洞內(nèi)部和時間旅行的奧秘。
實驗由兩組相互獨立的科學家完成。他們使用了一種特殊的晶體，將光子一分為二，然后再結(jié)合在一起，并在此過程中演示了所謂的“量子時間反演”。
量子力學中的疊加態(tài)指的是粒子能夠同時處于多種狀態(tài)，直至它們被觀測。比如著名的“薛定諤的貓”。而CPT對稱指的是包含粒子的系統(tǒng)，在電荷、空間位置和時間方向全然相反，亦即被鏡像化的情況下，其所遵守的物理學規(guī)律與未被鏡像時完全一樣。
物理學中的大部分基本規(guī)律都與時間的方向無關(guān)。也就是說，即便時間反演，結(jié)果也是一樣。但熱力學第二定律卻是例外。熱力學第二定律認為一個封閉系統(tǒng)的“熵”只可能增加，不可能減少。熵指的是一個系統(tǒng)的混亂程度，它反映的是時間流逝的方向，亦稱“時間之箭?”。它是物理學中極少數(shù)與時間流逝方向有關(guān)的概念之一。比如一個杯子被打破，那么它的熵就會增加，而這意味著這就是時間流逝的方向；假如打碎的杯子自動復原，那么就意味著熵的減少，以及時間發(fā)生了倒流。
但是熵主要是一個統(tǒng)計概念，不適用于單一的亞原子粒子。理論上粒子在時間上是前進還是后退是無法區(qū)分的。
疊加態(tài)原理能夠讓粒子同時在時間維度上向著前后兩個方向運動，但用實驗驗證這一點很困難。這兩個科研團隊各自設(shè)計了一套相似的實驗裝置，能夠用晶體分割疊加態(tài)光子，使之沿著兩條不同的路徑運動。疊加態(tài)光子在一條路徑上正常地運動，與此同時又在另外一條路徑上被極化，其空間指向被改變。
研究人員隨后用另一塊晶體將疊加態(tài)光子再度結(jié)合在一起，并對光子的極化進行了測量。結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)了一種明暗相間的量子干涉條紋，表明光子被分割成了在時間維度上同時向前和向后運動的兩部分，就像一個能夠同時左旋和右旋的陀螺一樣。
該實驗可以為設(shè)計能夠同時在時間的兩個方向上運行的可反演計算機邏輯門提供指導。以此原理設(shè)計的量子計算機處理器，可以擁有極其強大的算力。
與此同時，它也可以為致力于統(tǒng)一廣義相對論和量子力學的科學家提供參考。未來的量子引力論中可能會包括這種擁有多個時間方向的粒子，它能讓科學家洞悉宇宙中某些極端神秘現(xiàn)象的奧秘，例如黑洞的內(nèi)部和時間旅行。
參考
Experimental demonstration of input-output indefiniteness in a single quantum device
https://arxiv.org/abs/2210.17046
Experimental superposition of time directions
https://arxiv.org/abs/2211.01283
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